На главную
  Mini-Soft БФ НГТУ Лабораторные работы по физике Исследование свойств фоторезистора
Разделы сайта:
Образование
Курсовые
Дипломы
Рефераты
Словари
БЭМТ
БФ НГТУ
  English
  MCC
  Физика
  Философия
Программы
Soft
Исходники
Статьи
MSDN
Библиотека
Инфо
Ссылки
Гостевая книга
Поиск по сайту:
Добавить работу на сайт
Ваша основная деятельность
Специалист
Служащий
Руководитель
Учащийся, студент
Рабочий
Безработный
Новые поступления:
Тестирование в исследовании систем управления 2014-03-11
Взаимосвязь делового общения и сфер общественной жизни 2014-03-10
Цели и функции маркетинга в антикризисном управлении 2014-03-10
Изучение уровня мотивации школьников 2014-03-10
RSS Все новинки...


Проверить аттестат


Мы принимаем Яндекс.Деньги
 
БФ НГТУ

БФ НГТУ

Бердский филиал Новосибирского государственного технического университета

Работа № 6-3

Исследование свойств фоторезистора

Скачать архив в формате Word: 6-3.zip
Цель работы
Ознакомиться с принципом работы фоторезистора, исследовать его основные характеристики, оценить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого сделан фоторезистор.

Внутренний фотоэффект

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, действие которого основано на фотопроводимости - изменении проводимости полупроводника при освещении (внутренний фотоэффект). В полупроводнике под действием света генерируются свободные носители заряда ( в отличие от внешнего фотоэффекта, когда электроны под действием света выходят из вещества).
Рассмотрим это явление. В химически чистом (собственном) полупроводнике при абсолютном нуле валентная зона заполнена электронами, а зона проводимости свободна. Неосвещенный полупроводник при абсолютном нуле является изолятором. Если полупроводник нагреть, то вследствие теплового возбуждения появятся электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Электропроводность полупроводника, обусловленная тепловым возбуждением, называется темновой проводимостью: (1)
где n - концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне; и - подвижность электронов и дырок соответственно; - заряд носителя тока.
При освещении полупроводника возникают дополнительные носители заряда, обусловленные внутренним фотоэффектом. При поглощении кванта света один из валентных электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Очевидно, такой переход возможен, если энергия фотона равна или несколько больше ширины запрещенной зоны (рис.1а): (2)
Рис.1.
Аналогично протекает процесс фотоионизации и в примесном полупроводнике. В донорном полупроводнике под действием квантов света электроны переходят с донорных уровней в зону проводимости (рис.2а) , в акцепторных - из валентной зоны на акцепторные уровни (рис.2б).
Рис.2.
Очевидно, примесная фотопроводимость возникает при условии (3)
где - энергия активации примесных атомов. Частоту, соответствующую знаку равенства в выражении (2) называют краем собственного поглощения, а в выражении (3) - краем примесного поглощения. Край поглощения называют также красной границей внутреннего фотоэффекта.
Избыточные электроны и дырки, генерируемые при освещении, являются неравновесными носителями заряда в отличие от равновесных носителей, которые имеются в полупроводнике при данной температуре и находятся в термодинамическом равновесии с решеткой кристалла. Дополнительная проводимость, обусловленная появлением неравновесных носителей заряда, и есть фотопроводимость. В случае собственного поглощения фотопроводимость равна (4)
где - число пар электрон-дырка, возникающих при поглощении квантов света.
При примесном поглощении появляются неравновесные носители заряда преимущественно одного типа. В общем случае фотопроводимость определяется выражением (5)
На величину фотопроводимости влияет также время жизни носителей заряда (промежуток времени от момента генерации носителя заряда до его рекомбинации - соединения электрона и дырки), коэффициент оптического поглощения, квантовый выход внутреннего фотоэффекта (отношение числа генерируемых носителей заряда к числу поглощенных фотонов).
Из сказанного ясно, что полная электропроводность складывается из темновой и фотопроводимости: (6)

Методика эксперимента

Схематическое устройство фоторезистора дано на рис.3.
Рис.3.
На изолирующую подложку 1 помещается тонкий слой полупроводника 2 (фоточувствительный слой). По краям этого слоя нанесены металлические электроды (контакты) 3. Для предохранения фоточувствительного слоя его покрывают тонкой пленкой лака, прозрачной в области спектральной чувствительности материала. Прибор заключен в закрытый корпус с окном для света. Электроды 3 соединены с клеммами, через которые прибор включается в электрическую цепь последовательно с источником питания.
Основными характеристиками фоторезистора являются вольт-амперная, световая и спектральная.
Вольт-амперной характеристикой называется зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от величины приложенного напряжения при постоянном световом потоке : (7)
где называется световым током; - темновой ток; - фототок.
В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Из уравнения (7) видно, что вольт-амперная характеристика как темновая, так и при освещении является линейной, поскольку при постоянной температуре и постоянном световом потоке электропроводность не зависит от напряжения. Следует отметить, что в области обычно реализуемых освещенностей световой ток намного больше темнового, т. е. .
Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения . Эту зависимость можно заменить зависимостью от освещенности Е: , называемой часто люкс-амперной характеристикой.
Световая характеристика обычно нелинейная (рис.4). При больших освещенностях увеличение фототока отстает от роста светового потока, намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока наряду с ростом концентрации генерируемых носителей заряда растет вероятность их рекомбинации.
Рис.4
Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны при постоянной энергии падающего излучения . Фототок в собственном полупроводнике появляется, начиная с длины волны (рис.5), соответствующей равенству (8)
где - ширина запрещенной зоны полупроводника; - край собственного поглощения. Казалось бы, что спектральная характеристика должна иметь вид ступени (рис.5, кривая "а"), но такой вид она могла бы иметь лишь при абсолютном нуле. При повышении температуры тепловое движение ""размывает" край собственного поглощения (рис.5, кривая "б").
Рис.5
Вблизи края собственного поглощения у некоторых полупроводников возникает так называемое экситонное поглощение, несколько снижающее величину фототока. (Электрон, возбужденный фотоном, покидает валентную зону, но зоны проводимости не достигает; эта система электрон-дырка, связанная кулоновским взаимодействием, и называется экситоном. Экситоны, будучи нейтральными образованиями, вклада в электропроводность не дают.)
С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться (рис.5, кривая "б"), хотя энергии фотона более чем достаточно для возникновения фотопроводимости. Это объясняется тем, что с уменьшением растет коэффициент оптического поглощения, а это приводит к поглощению света в тонком приповерхностном слое вещества, к повышению концентрации неравновесных носителей и соответственно повышенной скорости рекомбинации в этом слое. Другими словами, носители заряда активно рекомбинируют на поверхности, не успевая диффундировать в объеме полупроводника, что приводит к уменьшению фотопроводимости.
Край примесного поглощения , соответствующий равенству (9)
смещается в сторону больших длин волн относительно собственной фотопроводимости (рис.6). Очевидно, что по спектральной характеристике, определив , можно оценить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого сделан фоторезистор, а определив , - энергию активации примеси.
Рис.6
Фоторезистор характеризуется также такими параметрами как интегральная и спектральная чувствительности. Интегральной удельной чувствительностью называется величина фототока, приходящаяся на единицу потока белого света и на единицу напряжения, приложенного к фоторезистору: (10)
Если фоторезистор облучается монохроматическим светом, то будет спектральной чувствительностью.
Фоторезисторы находят широкое применение в различных устройствах автоматизации и контроля.

Введение к выполнению работы

В работе используется фоторезистор СФ2-1, изготовленный из сернистого кадмия. Освещенный фоторезистор представляет собой обычный резистор, сопротивление которого определяется интенсивностью излучения, поэтому его вольтамперная характеристика линейна.
Интенсивность, падающего на фоторезистор излучения, равна:
где nф - число фотонов падающих на единицу поверхности фоторезистора в единицу времени.
Поскольку фототок пропорционален nф, то он пропорционален и интенсивности.
По спектральной характеристике можно определить ширину запрещенной зоны

Задание к работе.

1. Собрать схему рис.7.
2. Измерить вольтамперные характеристики фоторезистора при различных значениях интенсивности для двух длин волн. Убедитесь, что зависимости близки к линейной.
3. Измерьте спектральную характеристику I( ) при фиксированном значении U.
4. По спектральной характеристике определите ширину запрещенной зоны.
5. Измерьте зависимость фототока от интенсивности для двух длин волн.

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффект? Сравните с внешним фотоэффектом.
2. Объясните механизм возникновения фотопроводимости в собственном и примесном полупроводнике.
3. Что таеое край собственного и примесного поглощения? Каким равенствам он удовлетворяет?
4. Что представляет собой фоторезистор?
5. Чем объясняется наличие темнового тока фоторезистора?
6. Объясните ход вольт-амперной и световой характеристик фоторезистора.
7. Объясните спектральную зависимость фототока в собственной и примесной области поглощения.
8. Как с помощью спектральной характеристикиможно оценить ширину запрещенной зоны полупроводника? Энергию активации примеси?
9. Что такое интегральная и спектральная чувствительность фоторезистора?

Литература

1. Епифанов Г.И. Физика твердого тела.-М.: Высшая школа,1977.
2. Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. -М.: Высшая школа,1974.
3. Анисимова И.Д., Викулин И.М. Полупроводниковые фотоприемники. -М.: Радиосвязь, 1984.

Вам помог данный материал: Да | Нет
  Mini-Soft БФ НГТУ Лабораторные работы по физике Исследование свойств фоторезистора
cloud server, cloud hosting, VPS server
О проекте Mini-Soft.ru   Реклама на сайте
Copyright © Mini-Soft 2003-2009 mini-soft@narod.ru